ABSTRACT We report a reagentless, intensity-based S-methadone fluorescent sensor, iS-methadoneSnFR, consisting of a circularly permuted GFP inserted within the sequence of a mutated bacterial periplasmic binding protein (PBP). We evolved a previously reported nicotine-binding PBP to become a selective S-methadone-binding sensor, via three mutations in the PBP’s second shell and hinge regions. iS-methadoneSnFR displays the necessary sensitivity, kinetics, and selectivity – notably enantioselectivity against R-methadone – for biological applications. Robust iS-methadoneSnFR responses in human sweat and saliva and mouse serum enable diagnostic uses. Expression and imaging in mammalian cells demonstrate that S-methadone enters at least two organelles and undergoes acid trapping in the Golgi apparatus, where opioid receptors can signal. This work shows a straightforward strategy in adapting existing PBPs to serve real-time applications ranging from subcellular to personal pharmacokinetics.

Abstract We developed fluorescent protein sensors for nicotine with improved sensitivity. For iNicSnFR12 at pH 7.4, the proportionality constant for ΔF/F 0 vs [nicotine] (δ-slope, 2.7 μM -1 ) is 6.1-fold higher than the previously reported iNicSnFR3a. The activated state of iNicSnFR12 has a fluorescence quantum yield of at least 0.6. We measured similar dose-response relations for the nicotine-induced absorbance increase and fluorescence increase, suggesting that the absorbance increase leads to the fluorescence increase via the previously described nicotine-induced conformational change, the “candle snuffer” mechanism. Molecular dynamics (MD) simulations identified a binding pose for nicotine, previously indeterminate from experimental data. MD simulations also showed that Helix 4 of the periplasmic binding protein (PBP) domain appears tilted in iNicSnFR12 relative to iNicSnFR3a, likely altering allosteric network(s) that link the ligand binding site to the fluorophore. In thermal melt experiments, nicotine stabilized the PBP of the tested iNicSnFR variants. iNicSnFR12 resolved nicotine in diluted mouse and human serum at 100 nM, the peak [nicotine] that occurs during smoking or vaping, and possibly at the decreasing levels during intervals between sessions. NicSnFR12 was also partially activated by unidentified endogenous ligand(s) in biofluids. Improved iNicSnFR12 variants could become the molecular sensors in continuous nicotine monitors for animal and human biofluids.

ABSTRACT Nicotinic partial agonists provide an accepted aid for smoking cessation and thus contribute to decreasing tobacco-related disease. Improved drugs constitute a continued area of study. However, there remains no reductionist method to examine the cellular and subcellular pharmacokinetic properties of these compounds in living cells. Here, we developed new intensity-based drug sensing fluorescent reporters (“iDrugSnFRs”) for the nicotinic partial agonists dianicline, cytisine, and two cytisine derivatives – 10-fluorocytisine and 9-bromo-10-ethylcytisine. We report the first atomic-scale structures of liganded periplasmic binding protein-based biosensors, accelerating development of iDrugSnFRs and also explaining the activation mechanism. The nicotinic iDrugSnFRs detect their drug partners in solution, as well as at the plasma membrane (PM) and in the endoplasmic reticulum (ER) of cell lines and mouse hippocampal neurons. At the PM, the speed of solution changes limits the growth and decay rates of the fluorescence response in almost all cases. In contrast, we found that rates of membrane crossing differ among these nicotinic drugs by > 30 fold. The new nicotinic iDrugSnFRs provide insight into the real-time pharmacokinetic properties of nicotinic agonists and provide a methodology whereby iDrugSnFRs can inform both pharmaceutical neuroscience and addiction neuroscience.

ABSTRACT Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs) are the most prescribed treatment for individuals experiencing major depressive disorder (MDD). The therapeutic mechanisms that take place before, during, or after SSRIs bind the serotonin transporter (SERT) are poorly understood, partially because no studies exist of the cellular and subcellular pharmacokinetic properties of SSRIs in living cells. We studied escitalopram and fluoxetine using new intensity- based drug-sensing fluorescent reporters (“iDrugSnFRs”) targeted to the plasma membrane (PM), cytoplasm, or endoplasmic reticulum (ER) of cultured neurons and mammalian cell lines. We also employed chemical detection of drug within cells and phospholipid membranes. The drugs attain equilibrium in neuronal cytoplasm and ER, at approximately the same concentration as the externally applied solution, with time constants of a few s (escitalopram) or 200-300 s (fluoxetine). Simultaneously, the drugs accumulate within lipid membranes by ≥ 18-fold (escitalopram) or 180-fold (fluoxetine), and possibly by much larger factors. Both drugs leave cytoplasm, lumen, and membranes just as quickly during washout. We synthesized membrane-impermeant quaternary amine derivatives of the two SSRIs. The quaternary derivatives are substantially excluded from membrane, cytoplasm, and ER for > 2.4 h. They inhibit SERT transport-associated currents 6- or 11-fold less potently than the SSRIs (escitalopram or fluoxetine derivative, respectively), providing useful probes for distinguishing compartmentalized SSRI effects. Although our measurements are orders of magnitude faster than the “therapeutic lag” of SSRIs, these data suggest that SSRI-SERT interactions within organelles or membranes may play roles during either the therapeutic effects or the “antidepressant discontinuation syndrome”. SIGNIFICANCE STATEMENT Selective serotonin reuptake inhibitors stabilize mood in several disorders. In general, these drugs bind to the serotonin (5-hydroxytryptamine) transporter (SERT), which clears serotonin from CNS and peripheral tissues. SERT ligands are effective and relatively safe; primary care practitioners often prescribe them. However, they have several side effects and require 2 to 6 weeks of continuous administration until they act effectively. How they work remains perplexing, contrasting with earlier assumptions that the therapeutic mechanism involves SERT inhibition followed by increased extracellular serotonin levels. This study establishes that two SERT ligands, fluoxetine and escitalopram, enter neurons within minutes, while simultaneously accumulating in many membranes. Such knowledge will motivate future research, hopefully revealing where and how SERT ligands “engage” their therapeutic target(s).